呂苗 ，張佳琪 ，董艷瑩 ，吳宇航

（1.華北理工大學(xué)數(shù)學(xué)建模創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；3.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009；4.河北省數(shù)據(jù)科學(xué)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；5.唐山市數(shù)據(jù)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009）

1 2017年石家莊市空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)

城市的空氣質(zhì)量影響著當(dāng)?shù)厝丝诘慕】狄约吧罘绞?，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口增長(zhǎng)，空氣質(zhì)量受到人類活動(dòng)的較大影響[1-4]。為了解現(xiàn)今的空氣質(zhì)量及其趨勢(shì)，既要選取經(jīng)濟(jì)水平較高的城市，也要選取氣候環(huán)境穩(wěn)定的地區(qū)，因?yàn)榫┙蚣降貐^(qū)屬于我國(guó)的五大城市群之一，經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有重要作用，且處于華北平原地帶，氣候穩(wěn)定，無較大突發(fā)變化，所以選取石家莊市進(jìn)行空氣質(zhì)量變化分析。大氣污染物不僅影響著空氣環(huán)境的質(zhì)量，也正相關(guān)于人類呼吸系統(tǒng)和心肺系統(tǒng)的發(fā)病率與死亡率，對(duì)人體健康有很大的威脅。城市空氣中的大氣污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物、碳?xì)浠衔铩U、苯并芘、氟化物等。選取其中部分被列為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中需控制濃度限值的物質(zhì)，分別為 PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2以及 O3作為影響空氣質(zhì)量的研究變量。本文選取AQI作為主要的空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)指標(biāo)，對(duì)2017年石家莊市每月的優(yōu)良天數(shù)分析如圖1所示。

圖1 2017年月份優(yōu)良天數(shù)分析圖Fig.1 2017 analysis of days of fine days

對(duì)圖像進(jìn)行分析可以得到，石家莊市的空氣質(zhì)量是呈季節(jié)性變化的，從整體水平來看，優(yōu)良天數(shù)平均分步并不多，即空氣質(zhì)量不太良好，再對(duì)石家莊市2017年每月AQI的最高值和平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)的分析如圖2所示。

圖2 AQI最高值與平均值的趨勢(shì)走向圖Fig. 2 Trend chart of maximum and average values of AQI

從AQI最高值與平均值的趨勢(shì)走向圖可以得到：從2017年1月開始，石家莊市整體的空氣質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，到三月后趨于平穩(wěn)，但AQI的值數(shù)平均在100左右，仍難以達(dá)到優(yōu)良天氣的標(biāo)準(zhǔn)，故需要對(duì)影響空氣質(zhì)量，即AQI趨勢(shì)變化的因素進(jìn)行分析。

2 影響石家莊市空氣質(zhì)量的主要因素分析

主要考慮計(jì)入空氣污染的幾個(gè)指標(biāo)，利用主成分分析法分析影響石家莊市2017年空氣質(zhì)量的主要污染物。從表1主要污染物的月平均濃度中，用主成分法分析各個(gè)變量的權(quán)重，得出主要影響因子。

2.1 利用主成分分析法確定權(quán)重

權(quán)重是指某一因素或指標(biāo)相對(duì)于某一事物的重要程度，利用歸一化后計(jì)算出的權(quán)重系數(shù)的大小來反應(yīng)各種污染物對(duì)空氣污染的影響程度，權(quán)重越大則該指標(biāo)的重要性越高，對(duì)整體的影響就越高。將指標(biāo)數(shù)據(jù)錄入SPSS，輸出結(jié)果如表2所示。

表2 KMO 和巴特利特檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 KMO and Bartlett test results

表2顯示的是KMO檢驗(yàn)結(jié)果，讀取KMO值后，根據(jù)給出的常用KMO度量標(biāo)準(zhǔn),確定原有變量是否適合做因子分析。

由表3知KMO輸出值為0.701，所以變量適合主成分分析的程度介于一般。

表3 KMO檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考Table 3 Reference for KMO inspection standard

由表4可知，主成分1,2所對(duì)應(yīng)的特征根大于1，取用主成分1和主成分2的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到89.324%，超出80%，所以主成分1和主成分2基本可以代表全部信息。因此，可以用前兩個(gè)成分來代替原來的七個(gè)指標(biāo)因素，這樣便降低了分析的維度。

表5 成分矩陣aTable 5 Component matrix a

從表5成分矩陣可知第一主成分與第二主成分對(duì)原來指標(biāo)的載荷數(shù)。比如，第一主成分對(duì)AQI的載荷數(shù)為0.769。第二主成分對(duì)AQI的載荷數(shù)為0.593。

表1 空氣質(zhì)量因素的指數(shù)分析表Table 1 Index analysis table of air quality factors

表4 解釋總方差Table 4 Explain total variance

因此要確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，需要計(jì)算以下數(shù)據(jù)：指標(biāo)在各主成分線性組合中的系數(shù)，主成分的方差貢獻(xiàn)率，以及最終的指標(biāo)權(quán)重的歸一化。

2.2 計(jì)算線性組合中的系數(shù)

根據(jù)公式：各指標(biāo)線性組合系數(shù)=載荷數(shù)/對(duì)應(yīng)特征值，計(jì)算出各指標(biāo)在兩個(gè)主成分線性組合中的系數(shù)，結(jié)果如表6所示。

整理得到的兩個(gè)主成分線性組合表達(dá)式如下：

2.3 主成分的方差貢獻(xiàn)率[5]

根據(jù)每個(gè)因子對(duì)問題的解釋程度，將各個(gè)指標(biāo)系數(shù)看成是前兩個(gè)成分方差貢獻(xiàn)率，對(duì)指標(biāo)在這兩個(gè)主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均。最后再計(jì)算綜合評(píng)價(jià)系數(shù)?？梢杂?jì)算出所有指標(biāo)的系數(shù)，如表7所示。

所有指標(biāo)的綜合得分公式：

表6 兩個(gè)主成分線性組合系數(shù)Table 6 Two principal components linear combination coefficient

2.4 指標(biāo)權(quán)重歸一化

歸一化指對(duì)不同特征維度進(jìn)行伸縮變換，改變?cè)紨?shù)據(jù)的分布使各個(gè)特征維度對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響權(quán)重是一致的。對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響體現(xiàn)在數(shù)值上并且把有量綱表達(dá)式變?yōu)闊o量綱表達(dá)式 。由主成分方差貢獻(xiàn)率計(jì)算得出的綜合得分模型中的系數(shù)，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，如表8所示。

表7 所有指標(biāo)的系數(shù)Table 7 Coefficients of all indicators

表8 模型權(quán)重表Table 8 Model weight table

歸一化后的權(quán)重指標(biāo)顯示，除綜合指標(biāo)AOI外，PM2.5和SO2對(duì)空氣的影響力度最大。對(duì)此，對(duì)污染處理政策的進(jìn)行主要針對(duì)于PM2.5和SO2的處理。

3 結(jié)論

空氣污染程度可以反映某地空氣質(zhì)量的好壞，它是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的，針對(duì)石家莊市空氣污染物濃度，計(jì)算權(quán)重后，PM2.5和SO2的指標(biāo)權(quán)重值明顯較高，因此判定石家莊市空氣主要污染物為PM2.5和SO2。

為防止二氧化硫的有害影響，大多數(shù)國(guó)家把大氣中的二氧化硫濃度控制在0.05ppm以下，超過這個(gè)數(shù)值就認(rèn)為構(gòu)成了大氣污染，必須采取防治措施，以降低其濃度，目前采取的有效途徑一般有如下幾種：一是采用低硫燃料，二是高煙囪排放，三是燃料脫硫，四是燃燒脫硫，五是煙氣脫硫。

隨著天氣逐漸變冷，PM2.5的擴(kuò)散程度直線上升，再加上他嚴(yán)重影響了我們的生活以及自己的身體，他會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的在空中漂浮，源自于汽車尾氣排放太多，熱能排放太多。防范PM2.5首先應(yīng)該應(yīng)對(duì)污染選對(duì)口罩，其次注意飲食，多種植綠植。能有效緩解空氣污染危害。